Consequences of maternal immune activation on the activity and the connectivity of dopaminergic neurons in the ventral tegmental area and role of microglia in the observed phenotypes
Conséquences de l'activation immunitaire maternelle sur l'activité et la connectivité des neurones dopaminergiques de l'aire tegmentale ventrale et rôle de la microglie dans les phénotypes observés
Résumé
Maternal Immune Activation (MIA) during pregnancy is associated with an increased risk to develop neuropsychiatric disorders including autism spectrum disorders (ASD) and schizophrenia. Animal models have been widely used to study how maternal immune activation (MIA) disrupts normal brain development. One of the most widely used agents to model MIA is polyinosinic-polycytidylic acid (Poly(I:C)), a double-stranded synthetic RNA which can be injected to pregnant dams to mimic a viral infection. In particular, adult rats whose mother received (Poly(I:C)) during gestation show decreased activity in vivo of dopaminergic neurons (DA) in the Ventral Tegmental Area (VTA). However, the mechanisms responsible for this long-term modification of DA neuron discharge are unknown. This PhD thesis project aims to characterize the alterations of the functional properties of DA neurons in the VTA following MIA, and to study the role of microglia in this process. MIA was induced in C57Bl/6J mice by Poly(I:C) administration at embryonic day 9 (E9), which is analogous to the end of the first or beginning of the second trimester of gestation in humans, a period of increased susceptibility to MIA according to epidemiological studies. Our results confirm the decreased activity of VTA DA neurons in MIA offspring in vivo, and show that DA neurons are less likely to discharge in "bursts." Using patch-clamp and immunohistochemistry techniques, we observed that MIA diminishes excitatory synaptic inputs to DA neurons, and specifically decreases NMDA receptor-mediated currents, in the absence of changes in inhibitory inputs. Furthermore, we found that HCN channel-mediated currents and intrinsic neuronal excitability are increased in DA neurons of MIA offspring, which may reflect homeostatic mechanisms regulating excitability in response to modulation of the excitation/inhibition balance. Since microglia are involved in synaptic pruning during brain development, we investigated whether microglial properties and functions are altered by MIA. We found no significant change in microglia density in the VTA but a significant increase in volume as well as complexity and length of microglial cell branching. Furthermore, although the volume of CD68-expressing lysosomes was unchanged in MIA offspring, we observed that microglial cells in the VTA engulfed a larger volume of presynaptic elements identified by Bassoon protein expression. Since the complement system is involved in microglia-dependent synaptic pruning, we measured the expression of C1q, the initiator protein of the complement cascade. We observed that C1q expression was increased in the midbrain of MIA offspring. Finally, administration during the first two weeks of postnatal life of minocycline, a tetracycline that crosses the blood-brain barrier and modulates microglial reactivity, normalized DA cell discharge in vivo, as well as excitatory synaptic inputs to DA neurons in the VTA ex vivo. Taken together, these results suggest that MIA may permanently compromise the activity and connectivity of VTA DA neurons in the offspring by affecting complement- and microglia-dependent synaptic refinement mechanisms occurring during early postnatal development.
L'activation immunitaire maternelle (« Maternal Immune Activation » ou MIA) au cours de la grossesse est un facteur de risque associé à plusieurs pathologies neurodéveloppementales sévères et fréquentes dont les troubles autistiques et la schizophrénie. La modélisation de la MIA chez le rongeur a montré les liens entre activation immunitaire maternelle et altérations du développement cérébral chez la descendance. En particulier, chez des rats dont la mère a reçu un ARN synthétique (Poly(I:C)) qui mime une attaque virale pendant la gestation, l'activité des neurones dopaminergiques (DA) de l'aire tegmentale ventrale (« Ventral Tegmental Area » ou VTA) est diminuée in vivo. Cependant les mécanismes responsables de cette modification à long terme de la décharge des neurones DA sont inconnus. Cette thèse vise à caractériser les altérations des propriétés fonctionnelles des neurones DA de la VTA consécutives à une MIA, et à étudier l'implication de la microglie dans ce processus. La MIA a été induite chez la souris C57Bl/6J par une administration de Poly(I:C) au jour embryonnaire 9 (E9), qui est analogue à la fin du premier ou au début du deuxième trimestre de gestation chez l'humain, une période de sensibilité accrue à la MIA d'après les études épidémiologiques. Nos résultats confirment la diminution globale d'activité des neurones DA de la VTA in vivo chez les descendants de mères exposées au Poly(I:C) pendant la gestation (souris MIA), et montrent que les neurones sont moins susceptibles de décharger en « bursts ». En utilisant des techniques de patch-clamp et d'immunohistochimie, nous avons observé que la MIA induit une perte des entrées synaptiques excitatrices vers les neurones DA, et diminue spécifiquement les courants portés par les récepteurs NMDA, en l'absence de modification des entrées inhibitrices. De plus, nous avons constaté que les courants médiés par les canaux HCN et l'excitabilité neuronale intrinsèque sont augmentés dans les neurones DA des souris MIA, ce qui pourrait refléter la mise en place de mécanismes homéostatiques régulant l'excitabilité en réponse à la modulation de la balance excitation/inhibition. Puisqu'au cours du développement postnatal, la microglie participe au raffinement de la connectivité synaptique, nous avons étudié les conséquences de la MIA sur les propriétés de la microglie dans la VTA. Nous n'avons pas constaté de changement significatif de densité de la microglie dans la VTA mais une augmentation significative du volume ainsi que de la complexité et de la longueur des ramifications des cellules microgliales. De plus, bien que le volume des lysosomes exprimant CD68 soit inchangé chez les souris MIA, nous avons observé que les cellules microgliales de la VTA engloutissent un volume plus important d'éléments présynaptiques identifiés par l'expression de la protéine Bassoon. Comme le système du complément intervient dans l'élagage synaptique dépendant de la microglie, nous avons mesuré l'expression de C1q, la protéine initiatrice de la cascade du complément. Nous avons observé que cette expression est fortement augmentée dans le mésencéphale des souris MIA. Enfin, l'administration au cours des deux premières semaines de vie postnatale de minocycline, une tétracycline qui passe la barrière hémato-encéphalique et module la réactivité microgliale, a permis de normaliser la décharge des cellules DA in vivo, ainsi que les entrées synaptiques excitatrices des neurones DA de la VTA ex vivo. L'ensemble de ces résultats suggèrent que la MIA altère durablement l'activité et la connectivité des neurones DA de la VTA en affectant les mécanismes de raffinement synaptique dépendant du complément et de la microglie au cours du développement post-natal.
Origine : Version validée par le jury (STAR)